單片機最小系統解析(電源、晶振和復位電路)

2021-02-08 電子產品世界

我們在學習過程中，很多指標都是直接用的概念指標，比如我們說 +5 V 代表1，GND 代表0等等。但在實際電路中的電壓值並不是完全精準的，那這些指標允許範圍是什麼呢?隨著我們所學的內容不斷增多，大家要慢慢培養一種閱讀數據手冊的能力。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201807/383546.htm

比如，我們要使用 STC89C52RC 的時候，找到它的數據手冊第11頁，看第二項——工作電壓：5.5 V～3.4 V(5 V 單片機)，這個地方就說明這個單片機正常的工作電壓是個範圍值，只要電源 VCC 在 5.5 V～3.4 V 之間都可以正常工作，電壓超過 5.5 V 是絕對不允許的，會燒壞單片機，電壓如果低於 3.4 V，單片機不會損壞，但是也不能正常工作。而在這個範圍內，最典型、最常用的電壓值就是 5V，這就是後面括號裡「5 V 單片機」這個名稱的由來。除此之外，還有一種常用的工作電壓範圍是 2.7 V～3.6 V、典型值是 3.3 V 的單片機，也就是所謂的「3.3 V 單片機」。日後隨著大家接觸更多的器件，對這點會有更深刻的理解。

現在我們再順便多了解一點，大家打開 74HC138 的數據手冊，會發現 74HC138 手冊的第二頁也有一個表格，上邊寫了 74HC138 的工作電壓範圍，最小值是 4.75 V，額定值是 5 V，最大值是 5.25 V，可以得知它的工作電壓範圍是 4.75 V～5.25 V。這個地方講這些目的是讓大家清楚的了解，我們獲取器件工作參數的一個最重要、也是最權威的途徑，就是查閱該器件的數據手冊。

晶振通常分為無源晶振和有源晶振兩種類型，無源晶振一般稱之為 crystal(晶體)，而有源晶振則叫做 oscillator(振蕩器)。

有源晶振是一個完整的諧振振蕩器，它是利用石英晶體的壓電效應來起振，所以有源晶振需要供電，當我們把有源晶振電路做好後，不需要外接其它器件，只要給它供電，它就可以主動產生振蕩頻率，並且可以提供高精度的頻率基準，信號質量也比無源信號要好。

無源晶振自身無法振蕩起來，它需要晶片內部的振蕩電路一起工作才能振蕩，它允許不同的電壓，但是信號質量和精度較有源晶振差一些。相對價格來說，無源晶振要比有源晶振價格便宜很多。無源晶振兩側通常都會有個電容，一般其容值都選在 10 pF~40 pF 之間，如果手冊中有具體電容大小的要求則要根據要求來選電容，如果手冊沒有要求，我們用 20 pF 就是比較好的選擇，這是一個長久以來的經驗值，具有極其普遍的適用性。

我們來認識下比較常用的兩種晶振的樣貌，如圖8-1和圖8-2所示。

圖8-1 有源晶振實物圖

圖8-2 無源晶振實物圖

有源晶振通常有4個引腳，VCC，GND，晶振輸出引腳和一個沒有用到的懸空引腳(有些晶振也把該引腳作為使能引腳)。無源晶振有2個或3個引腳，如果是3個引腳的話，中間引腳接是晶振的外殼，使用時要接到 GND，兩側的引腳就是晶體的2個引出腳了，這兩個引腳作用是等同的，就像是電阻的2個引腳一樣，沒有正負之分。對於無源晶振，用我們的單片機上的兩個晶振引腳接上去即可，而有源晶振，只接到單片機的晶振的輸入引腳上，輸出引腳上不需要接，如圖8-3和圖8-4所示。

圖8-3 無源晶振接法

圖8-4 有源晶振接法

我們先來分析一下 KST-51 開發板上的復位電路，如圖8-5所示。

圖8-5 單片機復位電路

當這個電路處於穩態時，電容起到隔離直流的作用，隔離了 +5 V，而左側的復位按鍵是彈起狀態，下邊部分電路就沒有電壓差的產生，所以按鍵和電容 C11 以下部分的電位都是和 GND 相等的，也就是 0 V。我們這個單片機是高電平復位，低電平正常工作，所以正常工作的電壓是 0 V，沒有問題。

我們再來分析從沒有電到上電的瞬間，電容 C11 上方電壓是 5 V，下方是 0 V，根據我們初中所學的知識，電容 C11 要進行充電，正離子從上往下充電，負電子從 GND 往上充電，這個時候電容對電路來說相當於一根導線，全部電壓都加在了 R31 這個電阻上，那麼 RST埠位置的電壓就是 5 V，隨著電容充電越來越多，即將充滿的時候，電流會越來越小，那 RST 埠上的電壓值等於電流乘以 R31 的阻值，也就會越來越小，一直到電容完全充滿後，線路上不再有電流，這個時候 RST 和 GND 的電位就相等了也就是 0 V 了。

從這個過程上來看，我們加上這個電路，單片機系統上電後，RST 引腳會先保持一小段時間的高電平而後變成低電平，這個過程就是上電復位的過程。那這個「一小段時間」到底是多少才合適呢?每種單片機不完全一樣，51單片機手冊裡寫的是持續時間不少於2個機器周期的時間。復位電壓值，每種單片機不完全一樣，我們按照通常值 0.7 VCC 作為復位電壓值，復位時間的計算過程比較複雜，我這裡只給大家一個結論，時間 t=1.2 RC，我們用的 R 是4700歐，C 是0.0000001法，那麼計算出 t 就是 0.000564秒，即 564 us，遠遠大於2個機器周期(2 us)，在電路設計的時候一般留夠餘量就行。

按鍵復位(即手動復位)有2個過程，按下按鍵之前，RST 的電壓是 0 V，當按下按鍵後電路導通，同時電容也會在瞬間進行放電，RST 電壓值變化為 4700 VCC/(4700+18)，會處於高電平復位狀態。當鬆開按鍵後就和上電復位類似了，先是電容充電，後電流逐漸減小直到 RST 電壓變 0 V 的過程。我們按下按鍵的時間通常都會有幾百毫秒，這個時間足夠復位了。

按下按鍵的瞬間，電容兩端的 5 V 電壓(注意不是電源的 5 V 和 GND 之間)會被直接接通，此刻會有一個瞬間的大電流衝擊，會在局部範圍內產生電磁幹擾，為了抑制這個大電流所引起的幹擾，我們這裡在電容放電迴路中串入一個18歐的電阻來限流。

如果有的同學已經想開始 DIY 設計自己的電路板，那單片機的設計現在已經有了足夠的理論依據了，可以考慮嘗試了。基礎比較薄弱的同學先不要著急，繼續跟著往下學，把課程都學完了再動手操作也不遲，磨刀不誤砍柴工。


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